浅谈节水灌溉技术—膜孔灌溉

浅谈节水灌溉技术
 —膜孔灌溉
葛强1，李盼盼2
（1.德州黄河河务局，山东 德州 251100；2.河海大学现代农业工程系  南京  210098）
摘  要：膜孔灌溉技术是在地膜栽培的基础上发展起来的一项新的节水灌溉技术，具有节水 、增产、提高灌水均匀度等优点。本文从目前国内的研究现状、膜孔灌溉的特点、技术要素、形式、适用范围及应注意的问题等几个方面进行了阐述，以为膜孔灌溉技术的大面积推广和应用提供一定的理论及技术依据。
关键词：膜孔灌溉技术  研究现状  技术要素  适用范围
 我国是一个水资源短缺的国家, 尤其是西北干旱地区水资源短缺更为突出。因此合理开发与利用有限的资源就成为我国改善人民生活及发展国民经济的重要任务。而如何在农业生产上更加合理有效的利用水资源也是其中之一。
 在农业用水中, 农田灌溉用水始终是一个用水大户, 一般要占80% 以上。因此开展节水灌溉对缓解日益突出的水资源供需矛盾有着十分重要的战略意义。虽然我国在推行节水灌溉方面已取得了一定成效，但由于地面灌溉仍占主导地位(占97% ) ,且绝大多数仍沿用传统的地面灌溉技术, 水的浪费现象依然十分严重, 水的利用系数只有0.4, 节水潜力极大。因此积极研究与推广先进的节水型地面灌溉技术即成为当务之急。
 做为地面节水灌水技术, 我国在70 年代前后提出了小畦灌、长畦分段及细流沟灌等, 长期来在节约灌溉水方面起到了一定作用。近年来，结合北方干旱地区的自然与生产实际,膜孔灌溉技术越来越引起人们的重视。
 膜孔灌溉技术是在地膜栽培的基础上发展起来的一项新的节水灌溉技术, 是在田间将地膜平铺或起垄覆盖, 实现利用地膜输水, 并通过作物的放苗孔、专门灌水孔等的入渗进行灌溉的灌水方法。传统的地面灌溉, 由于无法对灌溉水流推进与入渗的土壤界面特性进行调控, 因此灌水定额已定情况下, 只能通过调节入畦(沟) 流量和灌水时间以求达到最佳的灌水质量。这在实践中往往很难实现。而波涌灌溉, 是通过间歇向畦(沟) 灌水的方式来改变各灌水周期的土壤界面特性(即表土致密层的形成与发展) , 为下一周期加快水流推进和减少入渗能力创造一个新的界面, 从而达到节水与提高灌水质量的目的, 这就较传统的地面灌水技术有了重大突破。膜孔灌是在利用地膜种植的同时, 为灌溉提供了一个可以根据灌水要求而自行设计与调控的人工界面。这个界面不仅较传统地面灌的田面土壤特性和波涌灌所形成的致密层特性更为简单而又稳定, 并且更重要的是为加快水流推进、实现局部灌溉和小定额灌水以及提高灌水效益提供了重要条件。由此可见, 膜孔灌是地面灌水技术研究中的又一重要突破。本文就膜孔灌溉技术的研究现状、节水机理、使用形式以及在实际应用过程中所存在的问题和解决方法进行了阐述, 以期为膜孔灌溉技术的大面积推广和应用提供一定的理论及技术依据。
我国膜孔灌溉技术的研究现状
 膜孔灌溉是80 年代后期我国新疆地区在地膜栽培基础上发展起来的一种新型节水地面灌溉技术。多年来的实践证明, 不仅具有地膜种植的所有优点, 而且还具有显著的节水、增产和防止土肥流失等效果。近年来，为了使该技术更好的应用于生产，国内对该灌水技术在多方面进行了研究试验。
1.1 膜孔灌溉入渗规律的研究
 缴锡云等进行了单点膜孔入渗特性的试验研究，结果表明:单点膜孔的累积入渗量变化过程符合Kostiakov 模型；相对入渗参数(单点膜孔入渗参数与垂直一维入渗参数之比值) 与膜孔直径具有显著的相关关系；单点膜孔的湿润深度小于垂直一维入渗的湿润深度, 并且相对湿润深度(单点膜孔的湿润深度与垂直一维入渗的湿润深度之比值) 与膜孔直径具有显著的相关关系；单点膜孔入渗的表面湿润半径与入渗历时符合幂函数关系, 并与膜孔直径存在着显著的相关关系；在相同入渗历时的情况下, 与垂直一维入渗相比, 膜孔入渗的湿润土体平均含水率较小。
 费良军等研究了在充分供水条件下单点膜孔入渗湿润特性。发现在充分供水条件下, 沙性土壤单点膜孔入渗湿润锋在垂直方向的推移速度较水平方向的快, 同一入渗历时的垂直湿润深度较水平湿润距离大, 其湿润体形状近似为长椭球体；充分供水单点膜孔入渗垂直湿润锋和水平湿润锋推移长度与入渗历时之间为幂函数关系；根据水量平衡原理建立了湿润体内平均含水量的计算公式, 由此可以预测湿润体内含水量的变化。
 费良军等进行了膜孔灌多点源交汇入渗影响因素试验研究。试验发现多点源膜孔交汇入渗主要受膜孔直径、膜孔间距、土壤容重、土壤质地以及土壤初始含水率的影响；多点源膜孔交汇入渗量随膜孔直径的增大而增大, 单位膜孔面积入渗量随膜孔面积的增大而减小, 交汇时间随膜孔直径增大而减小, 而膜孔间距壤质地愈粗, 其膜孔交汇入渗能力愈大, 交汇时间愈短； 土壤容重愈大, 其交汇入渗能力愈小； 在其它条件相同情况下, 土壤前期含水率愈大, 其膜孔交汇入渗能力愈小, 交汇时间愈大。
 李毅等对覆膜不同开孔程度蒸发条件下土壤水热变化动态进行了研究。发现 采用垂直一维蒸发实验系统进行土壤初始含水量均匀的覆膜开孔蒸发实验,可实现对不同地表覆膜开孔的控制条件下,蒸发过程中土壤含水率和温度的动态变化规律的认识； 分析了地表覆膜开孔率不同时,蒸发的剖面温度动态变化及蒸发结束的温度分布特征。土温和土体温度梯度均可表示为深度的指数函数形式；蒸发速率随时间变化趋势可用幂函数形式；不同覆膜开孔率的控制条件下蒸发的累积蒸发量均与时间平方根呈线性关系,这一结论符合Gardner 关于一维裸土蒸发的理论关系;进一步分析可建立覆膜开孔率和时间表示的累积蒸发量模型,从而将Gardner 的蒸发理论应用于覆膜开孔蒸发,在实验研究基础上发展了其理论关系,拓展了该关系的应用途径。此外,相对累积蒸发量和单位膜孔面积的累积蒸发量均与覆膜开孔率存在定量关系。
1.2 田面综合糙率系数
 在膜孔灌溉中, 水流在地膜上流动, 通过膜孔渗入土壤, 其衡量田面水流运动阻力的糙率系数量值较露地灌的减小。传统地面灌溉技术中的水通过整个田面渗入土壤, 入渗界面是连续的, 而膜孔灌溉通过小于整个田面面积5%的膜孔面积渗入作物根系所处的土壤中, 沿畦长方向的入渗面是不连续的, 其糙率系数量值不仅受到田面粗糙程度和作物等的影响, 而且受到膜孔面积大小和膜孔分布等因素的影响。因此, 沿畦长方向上各点的糙率值是不均匀的, 而糙率系数是描述田面水流运动的重要参数之一, 准确确定膜孔灌溉田面综合糙率系数是进行膜孔灌溉灌水技术要素优化设计的基础。
 吴军虎等根据膜孔灌溉田面水流运动特性, 将膜孔灌溉不连续的入渗界面等效概化成均匀连续的透水界面, 对膜孔灌水流推进阶段采用四边形曲线差分网格, 消退阶段采用矩形差分网格进行计算, 建立了膜孔灌溉田面水流运动零惯量数学模型, 并将其与优化理论相结合, 提出了确定膜孔灌溉田面综合糙率系数的优化模型。
1.3 田面水流运动特性
 实践证明, 膜孔灌溉较常规地面灌溉具有节水、省肥、增产、灌水质量高等特点, 是一种具有广阔应用前景的节水型地面灌溉新技术。地面灌溉田面水流运动特性研究是进行数值模拟和灌水技术要素设计的基础，同样开展膜孔灌溉田面水流运动特性研究也具有重要的理论价值和实际意义。
 吴军虎等通过大田试验研究了膜孔灌溉田面水流运动特性, 以及单宽流量与开孔率对水流推进和消退特性的影响。结果表明:
 ① 膜孔灌溉较传统地面灌溉水流推进速度快; 膜孔灌溉田面水流推进曲线符合幂函数规律; 膜孔灌溉田面水流消退曲线符合一元二次函数规律，即
 tr = ax2 + bx + c
式中tr 为水流消退时间(min) ；a、b、c 为拟合参数。
 ② 膜孔灌溉田面水流前锋推进速度随单宽流量的增加而增大, 随着开孔率的增加而减小。
 ③ 膜孔灌溉最大退水时间随着单宽流量的增加而减小, 随着开孔率的增加而增大。
2 膜孔灌溉的特点
 1) 覆膜后阻止了棵间土壤的无效蒸发损失, 增强了土壤的保温、保墒能力。由于膜孔灌水入渗主要集中于膜下, 在地膜的保护下阻断了田面土壤水的无效消耗途径——棵间蒸发。膜下土壤水在常温下,汽化—凝聚—再回归的循环过程中变成土壤水。如此反复循环, 延长了灌水周期, 减少了灌水次数,提高了水的利用率。这是膜孔灌溉能够节水的另一个重要原因。
 2) 膜孔灌溉与一般的覆膜灌溉, 例如膜缝灌、膜沟灌等相比, 其地膜覆盖率高, 从而降低了沟(畦)田面的糙率, 使膜上水流推进速度加快, 减少了深层渗漏; 一般可节水30%～ 50% , 最高可达70% , 节水效果显著；在同样自然条件和农业生产条件下, 作物的灌水定额和灌溉定额都大为减少[ 15 ] , 因此, 膜孔灌溉田间水有效利用率高。
 3) 膜孔灌溉剖面土壤湿润范围小, 以根系区域为主, 其他部位仍处于原土壤水分状态, 其受水面积( 为局部湿润灌溉) 一般仅为传统畦灌法灌水面积(为全部湿润灌溉) 的2%～ 3% , 这样, 灌溉水被作物充分而有效地利用[ 15 ] , 所以灌溉水的利用率相当高。
 4) 在灌水均匀度方面, 膜孔灌溉不仅可以提高地膜覆盖沿沟(畦) 方向的灌水均匀度和湿润土壤均匀度, 同时也可以提高地膜沟(畦) 横断面方向上的灌水均匀度和湿润土壤均匀度。这是因为膜上灌可以通过增开或封堵灌水孔来消除沟(畦) 首尾或其他部位处进水量的大小, 以调整和控制灌水孔数目对灌水均匀度的影响。提高灌水均匀度可以减少田间水的主要损失项——深层渗漏量和棵间蒸发, 以达到节水目的, 还可以使苗齐苗壮, 长势均匀, 提高肥料的有效利用率, 达到优质高产的目的[ 25 ] , 延伸灌水长度, 可以减少或消灭田间临时工程及其土地面积, 提高地面利用率, 达到减少投入, 提高效益的目的。
 5) 膜孔灌溉类似于滴灌, 是通过膜孔或专门放苗孔渗入作物根系区土壤内的, 属于局部灌溉, 灌水强度小, 对土壤结构的破坏作用很小, 土壤疏松不易板结, 通气性良好, 有利于好气性细菌繁殖活动, 促进土壤中动植物的分解,以形成易被作物吸收的矿质化合物, 对土壤肥力的有效吸收具有重要作用。
 6) 通过膜孔灌水, 田间土壤含水量的增加量主要集中于膜下。由于膜下土壤含水量大幅度增加, 提高了膜下土壤的热容量, 有利于农田吸热和储热, 同时也降低了膜侧土壤水分蒸发所引起的地热消耗,使地温升高, 为作物生长提供了良好的温度和湿度条件。
3 膜孔灌溉的技术要素
 为保证作物根区土层中具有足够的渗水量，必须根据不同的地形坡度、土质等因素确定入膜流量、单宽流量、放水时间、改水成数、开孔率、膜孔布置形式和灌水历时等膜孔灌溉的技术要素。膜孔灌灌水技术要素大小对灌水效果影响很大。
3.1 入膜流量
 膜孔灌溉的入膜流量是指单位时间内进入膜沟或膜畦首端的水量，常以1/s为单位，可采用q=0.001knvw 计算入膜流量。q为入膜流量，又称灌水强度，即单位时间单位膜宽上的灌水量& ’ ( 1/小时·米)；k为旁侧入渗影响系数，它与膜上水深成正比，与膜畦长度成反比，对无旁渗的打埂膜上灌，一般取值为1.46～3.86之间；n为每米膜长上的灌水孔数，包括放苗孔和增设的专用灌水孔的孔数在内；v为土壤的入渗速度，随灌水次数的增加而减少(cm/小时)；w为放苗孔和专用灌水孔的平均面积(cm2),可用w计算。式中:d为放苗孔或灌水孔直径(cm);S为孔距（cm）；L为膜沟（畦）长度（cm）；A 为孔口排数，单排孔N=1，双排孔N=2。
3.2 单宽流量对灌水定额的影响
   单宽流量较小时, 灌水定额随单宽流量的增大而减小, 但当单宽流量增大到一定程度后,膜孔灌的灌水定额随单宽流量的增大而增大。这主要是由于在单宽流量较小时, 随着流量的增加, 田面水层变厚, 沿畦田纵坡方向的作用力增大, 使田面水流推进速度加快, 放水时间缩短, 因而灌水定额减小, 而当流量继续增大, 田面水深加大, 灌入田间的水量增大, 引起灌水定额增大。所以存在一个最佳流量, 使灌水定额最小。
3.3 开孔率对灌水定额的影响
 膜孔灌田面水流在地膜上流动, 水分通过膜孔渗入过膜孔渗入土壤以满足作物需水要求, 因此仅占畦田面积很小部分的膜孔面积为其入渗界面。在其它条件基本相同的情况下, 灌水定额随开孔率的增大而增大。在开孔率很小的范围内, 这种趋势增加的很快；当开孔率达到一定值, 灌水定额增加缓慢。
 　 这主要是由于当开孔率较小时, 随着开孔率的增加, 入渗界面增大, 入渗水量相应增加, 而且畦田的田面糙率也随着开孔率的增大而增加, 导致田面水流推进速度减慢, 需要较长的放水时间, 因而灌水定额增加。而当开孔率达到一定值后继续增大时, 尽管糙率继续变大, 影响水流推进, 但是由于膜孔面积的增大或膜孔间交汇入渗的增加, 造成单个膜孔入渗的侧渗量的减少, 导致膜孔入渗量增加的趋势减缓。因此, 灌水定额增加趋于缓慢, 逐渐接近于同条件下的露地灌灌水定额。
4 膜孔灌溉的形式及其主要技术要素
 膜孔灌溉主要分为膜孔沟灌和膜孔畦灌两种。
4.1 膜孔沟灌
 膜孔沟灌是将地膜铺在沟底，作物种植在垄上，水流通过地膜上的专门灌水孔渗入到土埂中。这种技术对随水传播的病害有一定的防治作用。膜孔沟灌特别适用于甜瓜、西瓜、辣椒等易受水土传染病害威胁的作物。果树、葡萄和葫芦等作物可以种植在沟坡上，水流可以通过放苗孔浸润到土壤。灌水沟规格依作物而异。蔬菜一般沟深30～40cm，沟距80～120cm；西瓜和甜瓜的沟深为40～50cm，上口宽80～100cm，沟距350～400cm。专用灌水孔可根据土质不同打单排孔或双排孔，对轻质土壤打双排孔，重质土壤打单排孔。孔径和孔距根据作物灌水量等确定。根据试验，对轻壤土、壤土孔径以5mm，孔距为20cm的单排孔为宜。对蔬菜作物入沟流量以1～1.5L/S为宜。甜瓜和辣椒作物严禁在高温季节和中午高温期间灌水或灌满沟水，以防病害发生。
4.2 膜孔畦灌
    膜孔畦灌的地膜两侧必须翘起5cm高，并嵌入土埂中。膜畦宽度根据地膜和种植作物的要求确定，双行种植一般采用宽70～90cm的地膜；三行或四行种植一般采用180cm宽的地膜。作物需水完全依靠放苗孔和增加的渗水孔供给，入膜流量为1～3L/s。该灌水方法增加了灌水均匀度，节水效果好。膜孔畦灌一般适合棉花、玉米和高梁等条播作物。
5 膜孔灌适用范围
5.1 适用的作物
 特别适用于已经实行了地膜栽培的中耕作物,如棉花、玉米、甜菜、瓜菜等和将要实现地膜栽培的中耕作物,如黄豆、高梁、谷子、绿豆等都适用。对于已经实行了点播的密植作物如春小麦等也可试行。膜孔灌溉还被应用在水稻节水 灌溉中，起到了节水、节能、加快作物生长、提高水稻产量的功效。
 因为现在市场上已有光洁膜、殿粉膜等自粉性塑膜,所以选用地膜时,其龄期应大于灌水期。
5.2 适用地形
 特别适用于大坡降地区,不仅可以防冲,更重要的是可以减少平整土地工程量。膜孔灌要求纵坡要均一,大坡降时,均匀程度差一些影响不大。畦子不能太宽,最好畦底宽1.2m 为限,因为膜孔灌横坡降要求较严,最好i=0,否则高侧膜孔不能进水。
6 膜孔灌溉推广应用中应注意的几个问题
 1）膜孔灌溉是低定额的局部灌溉，应注意满足灌水定额的要求。
 2）由于覆膜改变了地面原始状态，应用时应注意对作物灌溉制度、施肥等进行调整。
 3）较宽的膜孔宽畦灌时，田面横向应平整和纵向比降要均匀，这样才能提高膜孔灌溉质量。
 4）残膜应及时处理，否则将恶化农业生态环境。
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